分子生物学课件第三章-基因组及基因组学

第三章基因组及基因组学郑伟娟20063.1人类基因组计划

（HumanGenomeProject，HGP）

70年代DNA测序技术的发展；

1986年著名遗传学家MckusickV提出从整个基因组的层次研究遗传学的科学称“基因组学”；同年，诺贝尔奖获得者DulbeccoR在Science杂志上发表了题为“癌症研究的转折点——人类基因组的全序列分析”，得到了世界范围的响应；1986年美国能源部宣布实施这一草案；

1987年美国能源部（DOE）和国家健康研究院（NIH）为HGP下拔了经费1.66亿美元，开始筹建HGP实验室；

1988美国成立了“国家人类基因组研究中心”由诺贝尔奖获得者WatsonJ出任第一任主任。

1987年，意大利的国家研究委员会（NRC）组织了15个（后来发展到30个）实验室，开始HGP的研究；

1989年2月，英国的HGP开始启动;

1990年6月，法国的国家HGP开始启动；同月，欧共体通过了“欧洲HGP研究计划”，主要资助23个实验室；

1990年10月1日美国国会正式批准美国的“HGP”启动，计划在15年内投入至少30亿美元进行人类全基因组的分析；1994年初，在吴旻、强伯勤、陈竺院士和杨焕明教授的倡导下，中国的HGP开始启动；1998年国家科技部在上海成立了中国南方基因中心，由陈竺院士挂帅；1998年~1999年成立了中国科学院北京人类基因组中心和北方人类基因组中心，由中科院遗传所的杨焕明教授，强伯勤院士等人牵头；1995年6月，德国正式开始HGP。研究策略:

mappingthensequencing(clonebyclone)------FrancisCollins;

shortgunsequencing------CraigVenter;Plsreadp.787-p.793of‘MolecularBiology’forthedetailsofthesetwostrategiesafterclass.PRESIDENTCLINTONANNOUNCESTHECOMPLETIONOFTHEFIRSTSURVEYOFTHEENTIREHUMANGENOMEHailsPublicandPrivateEffortsLeadingtoThisHistoricAchievement

克林顿宣布人类基因组草图绘制完成June26,2000Today,atahistoricWhiteHouseeventwithBritishPrimeMinisterTonyBlair,PresidentClintonannouncedthattheinternationalHumanGenomeProjectandCeleraGenomicsCorporationhavebothcompletedaninitialsequencingofthehumangenome--thegeneticblueprintforhumanbeings.Hecongratulatedthescientistsworkinginboththepublicandprivatesectorsonthislandmarkachievement,whichpromisestoleadtoaneweraofmolecularmedicine,anerathatwillbringnewwaystoprevent,diagnose,treatandcuredisease.InFebruary2001,theworkingdraftsofthewholehumangenomewerepublished.April2001:99%ofthehumangenome'sgene-containingregionshadbeensequencedtoanaccuracyof99.99%-basicallysayingthatthehumangenomesequencingeffortisnowcomplete,abouttwoyearsaheadoftheoriginalscheduleItwasestimatedthatthehumangenomecontains30,000to40,000genes.onlyabouttwiceaslargeasthatofalowlyroundwormorafruitfly.wp.797酵母1996年大肠肝菌1997年线虫1999年果蝇2000年拟南芥菜2000年小鼠2002年模式生物基因组：Nature419:6910，1October2002

Coverstory（Article,p.899;Letters.p.925;NewsandViews）

封面故事：对线虫行为的遗传和神经解剖分析自然界的线虫Caenorhabditis

elegans以细菌为食，它们既可独自进食，也可成群进食。本期的两篇研究论文对线虫的这种社会行为做了独特的遗传和神经解剖分析。让我们看到了这种“获得诺贝尔奖金的虫子”是怎样根据自己周围的环境情况以及自己的“心情”来选择是群居还是独处的。

May6,2002—Inalandmarkadvanceingenomics,theinternationalMouseGenomeSequencingConsortiumtodayannouncedthatithasassembledanddepositedintopublicdatabasesanadvanceddraftsequenceofthemousegenome—thegeneticblueprintforthemostimportantanimalmodelinbiomedicalresearch.3.2人类基因组计划的延伸

——人类后基因组（功能基因组）研究FunctionalGenomicsprobingthepatternofgeneexpressioninagivencelltypeatagiventime.StructureGenomicsfindingoutthesequencesofgenomes.DNAmicroarraySpottinyvolumesofDNAonachipGenemicrochipsSynthesizemanyoligonucleotidessimultaneouslyonthesurfaceofachipHowtoexaminetheeffectofanewdesignedmedicineonthegeneexpressionpatternofagivenhumancellline?wp.798-p.799Additional:Youmayalsoexaminethegeneexpressionpatternofcertaincelltypeatcertaintime---thatisSerialAnalysisofGeneExpression(SAGE).wp.800-801基因定位（positionalcloning）exontrappingCpGislandorHTFislandwp.802-803Suggestedreading:ThestoryofHuntington’sDisease.wp.803-807transcriptome

and

transcriptomicsconsiderallthetranscriptsanorganismcanmakeinitslifetime.*functionalgenomicsproteomeandproteomicsconsiderthepropertiesandactivitiesofalltheproteinsanorganismmakesinitslifetime.*2-Dgel,massspectrometryOthers:

人类基因组多样性计划（HumanGenomeDiversityProject）环境基因组学（EnviromentalGenomics）肿瘤基因组解剖计划（CancerGenomeAnatomyProject）药物基因组学（Pharmacogenomics）核心问题：基因组的多样性；遗传疾病产生的起因；基因的表达调控作用；蛋白质产物的功能。3.3原核生物的基因组没有明显的核结构，而形成2-4个DNA相对集中的区域，即类核。染色体DNA是一个由4.2X106碱基对组成的双链环状分子。多种DNA结合蛋白使染色体压缩成一个脚手架(scaffold)结构,分成大约100个小区(domain)（图2-2）。一、大肠杆菌（E.coli）的染色体1.功能相关的结构基因通常构成操纵元。

操纵元(operon)：功能上相关的几个结构基因前后相连，由一个共同的调节基因和一组共同的控制位点，即启动子(promoter)和操作子(operator)对其表达过程实行协同调节控制。细菌基因表达调控的这样一个完整的单元，称为操纵元。二、E.coli基因组的特点调控元（regulon）：几个操纵元和它们共同的调节基因所构成的基因表达调控单元。2.蛋白质基因通常以单拷贝形式存在3.RNA基因通常是多拷贝的

大多数大肠杆菌菌株都有7个核糖体基因（rrn）操纵元，多数rrn操纵元分布在DNA复制起始位点附近,便于这些基因的大量表达和核糖体装配。4.其他基因的调控形式多样

20面体，无尾。DNA为单链环状，含5386个碱基。有11个基因，分别从基因A、B、D开始转录成3个mRNA。非编码区DNA占基因组的4%。有重叠基因和基因内基因。二、噬菌体174的基因组染色体DNA为双链，共有48502个碱基对。在不同的生长状态下，噬菌体DNA可以以环状分子（带切刻）和线形分子（具有两个粘性末端）两种形式存在（图2-6）三、噬菌体的基因组噬菌体的生活史：溶菌（裂解）周期（lyticcycle）基本过程：吸附：噬菌体吸附到细菌表面的特殊接受器上注入：噬菌体DNA穿过细胞壁注入寄主细胞转变：被感染细菌功能发生变化，成为制造噬菌体的场所合成：寄主细胞大量合成噬菌体特有的核酸和蛋白质组装：噬菌体DNA包装头部和尾部蛋白，成为噬菌体颗粒释放：新合成的子代噬菌体颗粒从寄主细胞内释放出来溶原周期（lysogeniccycle）：

溶原化（lysogenization）：

噬菌体以环状分子存在于寄主的细胞质中，或整合到寄主的染色体上，并与寄主染色体一起复制，这种状态称为溶原化。

溶原性细菌（lysogen）：具有一套完整的噬菌体基因组的细菌

原噬菌体(

prophage）：在溶原性细菌内存在的整合的或非整合的噬菌体DNA

超感染免疫性（immnitry）：溶原性细菌可以抗御同种噬菌体再感染的特性溶原菌的诱发（induction）：溶原菌因某种原因进入溶菌周期的现象。在诱发过程中，噬菌体基因组以单一DNA片段的形式从寄主染色体DNA上删除下来，然后环化成环形DNA分子。噬菌体的生活史噬菌体的基因组：噬菌体的基因除N和Q两个基因外，其余基因按功能的相似性聚集成簇。例如头部、尾部、复制及重组四大功能的基因各自聚集成4个基因簇噬菌体的基因组分区（1）左侧区：自基因A到J，包括参与噬菌体头部及尾部蛋白质合成的全部基因。（2）中间区：介于基因J和N之间，占全基因组30%。部分基因与细菌整合到寄主DNA上和溶源生长有关。这部分的基因不是噬菌体裂解生长所必需的，用其他外源DNA片段代替该区域对噬菌体的感染和生长都不会有严重影响。（3）右侧区：位于N基因的右侧，包括主要的调控成分、噬菌体的复制基因（O和P）以及溶菌基因（S和R）。

3.4真核生物的基因组C值：一个物种的单倍体基因组的全部DNA含量一、基因组大小和C值矛盾不同生物体的C值差异很大，从104bp到1011bp不等；不同物种基因组的C值分布生物体的结构功能越复杂，其C值约大；低等真核生物中，C值与物种的结构和功能复杂性之间呈正相关；有些结构功能相似的生物体，其C值相差很大；有些真核生物，特别是高等真核生物的C值与生物体的结构功能复杂性不相关；与预期的编码蛋白质的基因数量相比，基因组的DNA含量过多；一些物种的C值与生物体的结构功能复杂性不是正相关；C值矛盾Cvalueparadox二、真核生物基因组的DNA序列组织单一序列：在基因组中只有一个拷贝的DNA序列；轻度重复序列：在基因组中约有2-100个拷贝；中度重复序列：重复次数在102~105；高度重复序列：重复次数>106；单一序列：非重复序列，真核生物大多数基因属于单一序列；轻度重复序列：

基因家族(genefamily)---真核生物基因组中，来源相同、结构相似、功能相关的一组基因。如人类类α珠蛋白和类β珠蛋基因家族：发育阶段类a链类b链珠蛋白种类8周前胚胎a，xe，gx2e2，x2g2，a2e2胎儿aga2g2成人ab，d，ga2b2（97%）

a2d2（2%）a2g2（1%）基因簇(genecluster)：基因家族的各成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，定位于染色体的特殊区域。它们是同一个祖先基因扩增的产物。如人类类α链基因簇和类β链基因簇：散布的基因家族：基因家族成员在DNA上无明显的物理联系，甚至分散在多条染色体上。如肌动蛋白基因家族和微管蛋白基因家族。串联重复基因串联重复基因的特点：成员之间序列高度一致甚至完全相同拷贝数高，常有几十甚至几百个非转录间隔区短而一致。如组蛋白基因、rRNA基因、tRNA基因等。P.61中度重复序列：一般不编码序列，起调控作用；代表序列：Alu序列家族Alu序列家族占人类基因组DNA的5%左右，拷贝数高达9×105，其中60%序列成员含有限制性内切酶Alu的酶切位点（AGCT）。大部分位于非编码DNA区，但也有一部分位于mRNA的非翻译区，有的甚至位于编码区内。

Alu属于短散布重复成分（Shortinterpersedrepeatedelements,SINEs）长度约300bp，本身又由120bp和150bp的重复序列组成。长散布重复成分（longinterspersedrepeatelements,LINEs）占人类基因组总DNA的2%~3%，约有105拷贝，长度6~7kb，大多数含有相同的3’端及长短不等的polyA，LINE很少见于表达的基因。高度重复序列：卫星DNA：有些高度重复DNA序列的碱基组成和浮力密度同主体DNA有区别，在浮力密度梯度离心时，可形成不同于主DNA带的卫星带，此类DNA称为卫星DNA。

分类长度重复单位染色体定位大小（bp）

卫星DNA100kb~数Mb卫星序列2和35整个染色体；大多数卫序列125~48染色体着丝点和其他异染色质区域α171所有染色体着丝点β（Sau3A家族）681，9，13~15，21，22

及Y染色体的着丝点小卫星DNA0.1~20kb端粒家族6所有染色体端粒高变家族